微纳机电晶圆的圆片级封装方法及结构与流程

本发明属于半导体技术领域，涉及一种封装方法，特别是涉及一种微纳机电晶圆的圆片级封装方法及结构。

背景技术：

mems是微机电系统(micro-electro-mechanicalsystems)的英文缩写。mems主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。微机电系统mems是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(ic)类似的生成技术，可大量利用ic生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。完整的mems是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

mems器件与传统集成电路(ic)的最大不同之处在于：其表面有不平整的可动微米尺寸机械部件，因而针对表面平整的集成电路开发的封装技术很难直接应用于mems器件的封装。为了在晶圆切割时和器件应用中保护mems器件表面脆弱的微机械部件，防止被环境污染等，mems晶圆在切割成器件前大都需要一层圆片级封装(wafer-levelpackaging，又被称为0-level封装，以下简称wlp)。而集成垂直互连的圆片级封装方式是mems圆片级封装的必然发展趋势。现有的集成垂直互连的mems晶圆圆片级封装方法多种多样，但普遍存在的一个问题就是封装工艺时间长，操作步骤繁琐。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微纳机电晶圆的圆片级封装方法及结构，用于解决现有集成垂直互连的mems晶圆的圆片级封装过程中的封装工艺时 间长，操作步骤繁琐的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微纳机电晶圆的圆片级封装方法，所述微纳机电晶圆的圆片级封装方法包括：

在一硅片的正面制作保护mems晶圆正面微机械部件的凹槽，在所述硅片中制作贯通硅片的正面和背面的硅通孔，在所述硅通孔侧壁形成绝缘层，得到盖板；

在所述mems晶圆正面的电极上制作金属焊盘；

将所述盖板的正面和所述mems晶圆的正面键合，其中，所述金属焊盘与所述硅通孔的位置相对应，且所述金属焊盘至少覆盖所述硅通孔的一部分；

利用液态金属微孔填充技术对所述硅通孔进行填充，使填充的液态金属与所述金属焊盘键合，实现从所述mems晶圆电极至盖板背面的电互连。

可选地，所述金属焊盘完全覆盖所述硅通孔。

可选地，所述盖板和所述mems晶圆键合的方法包括介质键合或直接键合。

可选地，所述微纳机电晶圆的圆片级封装方法还包括利用化学机械研磨抛光技术对液态金属填充后的所述盖板的背面进行平整化处理的步骤。

可选地，所述微纳机电晶圆的圆片级封装方法还包括：

在所述盖板背面进行布线；

在布线处理后的所述盖板背面制作焊盘；

利用所述焊盘将专用集成电路与所述盖板背面连接。

可选地，所述填充的液态金属为单质金属或合金。

可选地，所述液态金属微孔填充技术包括利用气压差将液态金属槽中的液态金属吸进所述硅通孔中，并利用液桥的夹断效应将填充在所述硅通孔中的液态金属与液态金属槽中的液态金属切断。

本发明还提供一种微纳机电晶圆的圆片级封装结构，所述微纳机电晶圆的圆片级封装结构包括：

盖板，包括一硅片；所述硅片的正面制作有保护mems晶圆正面微机械部件的凹槽，所述硅片中制作有贯通硅片的正面和背面的硅通孔；所述硅通孔的侧壁上形成有绝缘层；

mems晶圆；所述mems晶圆正面的电极上制作有金属焊盘；所述mems晶圆的正面与所述盖板的正面键合，其中，所述金属焊盘与所述硅通孔的位置相对应，且所述金属焊盘至少覆盖所述硅通孔的一部分；

所述硅通孔中具有利用液态金属微孔填充技术填充的液态金属；所述液态金属与所述金 属焊盘键合，所述硅通孔中固化后的液态金属实现从所述mems晶圆电极至盖板背面的电互连。

可选地，所述金属焊盘完全覆盖所述硅通孔。

可选地，所述盖板的背面具有布线。

可选地，所述盖板的背面还制作有焊盘，所述盖板的背面通过所述焊盘与专用集成电路连接。

可选地，所述液态金属包括单质金属或合金。

如上所述，本发明所述的微纳机电晶圆的圆片级封装方法及结构，具有以下有益效果：本发明采用液态金属微孔填充技术对mems晶圆进行圆片级封装，大大缩短了tsv的填充时间和制造成本，也节省了传统复杂的tsv穿金属线工艺；本发明在键合封装前在mems晶圆电极上预设了金属焊盘，进一步保证了封装后的电性连接成功率；此外，本发明在盖板的背面进行再布线更进一步实现了微纳机电晶圆圆片级封装结构在应用中的多样性和普遍适应性。

附图说明

图1为本发明所述的硅片的结构示意图。

图2为本发明所述的盖板的结构示意图。

图3为本发明所述的mems晶圆的结构示意图。

图4为本发明所述的具有金属焊盘的mems晶圆的结构示意图。

图5为本发明所述的盖板和mems晶圆键合的结构示意图。

图6为本发明所述的键合后的盖板和mems晶圆的液态金属填充结构示意图。

图7为本发明所述的盖板背面平整化的结构示意图。

图8为本发明所述的盖板背面再布线的结构示意图。

元件标号说明

100盖板

110硅片

120凹槽

130硅通孔

140液态金属

150布线

160绝缘层

200mems晶圆

210微机械部件

220电极

230金属焊盘

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例一

本实施例提供一种微纳机电晶圆的圆片级封装方法，如图1至图8所示，所述微纳机电晶圆的圆片级封装方法包括：

如图1所示，提供一硅片110。

如图2所示，在所述硅片110的正面制作保护mems晶圆正面微机械部件的凹槽120，在所述硅片110中制作贯通硅片的正面和背面的硅通孔130，在所述硅通孔130侧壁形成绝缘层160，得到盖板100。所述盖板100为带硅通孔(tsv)和凹槽的晶圆盖板，硅通孔的侧壁有绝缘层。当然，所述盖板的正面及背面也可形成有绝缘层(图2中未示出)。

如图3所示，提供一mems晶圆200，所述mems晶圆200包括微机械部件210，所述微机械部件210下方形成有空腔。所述mems晶圆200的正面还形成有电极220。

如图4所示，在所述mems晶圆200正面的电极220上制造金属焊盘230。

如图5所示，将所述盖板100的正面和所述mems晶圆200的正面键合，其中，所述金属焊盘230与所述硅通孔130的位置相对应，且所述金属焊盘230至少覆盖所述硅通孔130的一部分。作为示例，图5所示为所述金属焊盘230完全覆盖所述硅通孔130的情形。

具体的，键合后，所述盖板100上的凹槽120正好位于mems晶圆200正面的微机械部件210上方，为mems晶圆200正面微机械部件210预留出了一定容纳空间，起到保护微机械部件的作用。

所述盖板100和mems晶圆200键合的方法可以选择多种键合的方式，如可以是介质键合，也可以是直接键合。作为示例，图5显示的为直接键合的情形。对于介质键合，其在所述盖板100和mems晶圆200之间的部分区域(例如靠近晶圆边缘的区域)填充有粘合介质，可以加强键合强度。介质键合所用的介质包括但不限于玻璃粉料、bcb(苯并环丁烯)或者光刻胶等材料。

如图6所示，利用液态金属微孔填充技术对所述硅通孔130进行填充，使填充的液态金属140与所述金属焊盘230键合，实现从所述mems晶圆200电极220至盖板100背面的电互连。

具体的，所述液态金属微孔填充技术包括利用气压差将液态金属槽中的液态金属吸进所述硅通孔中，并利用液桥的夹断效应将填充在所述硅通孔中的液态金属与液态金属槽中的液态金属切断。所述液态金属140包括单质金属或和合金，优选采用低熔点的导电金属或合金包括但不限于焊锡。填充完毕后，所述硅通孔130中的液态金属固化，形成导电柱。

具体的，在一种实施方式中，可参照公开号为cn103107129a的专利，该专利公开了利用密封腔及三明治结构来实现液态金属填充，其中，所述三明治结构自下而上依次由喷嘴片、填充基片和阻挡片叠加而成，所述阻挡片与填充基片之间设有第一间隙，所述填充基片与喷嘴片之间设有第二间隙；所述密封腔内的气压与所述第一间隙、填充微孔、第二间隙以及喷嘴孔的气压均相同；要进行液态金属填充时，将液态金属槽的上表面紧贴所述喷嘴片的下表面，然后降低所述三明治结构的内部气压至小于外界大气压的第一气压值，形成向上的张力，此时所述液态金属槽中的液态金属在向上的张力的作用下经所述喷嘴孔填充到所述微孔中；液态金属切断的具体实现过程包括：升高所述三明治结构的内部气压至小于外界大气压且大于所述第一气压值的第二气压值，所述外界大气压和第二气压值之间的气压差无法维持液态金属在所述喷嘴孔中的连续性使得所述液态金属在所述喷嘴孔中断开，并回流到所述液态金属槽中。具体到本发明中，所述mems晶圆200可充当所述阻挡片，所述盖板100充当所述填充基片。

在另一实施例中，也可同时调整所述三明治结构的内部气压p1及所述液态金属槽中液态金属的表面气压p2，使二者的气压差达到第一预设值，以将所述液态金属槽中的液态金属通过所述喷嘴孔结构吸入所述填充微孔，完成所述填充微孔的金属填充；然后进一步调整所述 三明治结构的内部气压p1及所述液态金属的表面气压p2，使二者的气压差达到第二预设值，以将液态金属在所述喷嘴孔结构处断开。相对于仅调节三明治内部气压的方案，本方案同时调节三明治结构的内部气压p1及所述液态金属槽中液态金属的表面气压p2，可实现更大的压差，不仅可以实现通孔的填充，还可以实现盲孔(当所述金属焊盘230完全覆盖所述硅通孔130时，填充时，所述硅通孔130相当于盲孔)的填充。

至此，完成了微纳机电晶圆的圆片级封装。本发明中，所述金属焊盘230的设置是为了进一步保证mems晶圆200电极220与盖板100背面更紧密的电互连；如果不设置所述金属焊盘230，硅通孔130中的液态金属140与盖板100背面不一定能形成稳固的电互联。因此，所述金属焊盘230在本发明中起着至关重要的作用。

如图7所示，在另一实施例中，还包括利用化学机械研磨抛光(chemicalmechanicalplanarization，cmp)技术对液态金属填充后的所述盖板100的背面进行平整化处理的步骤，以去除液态金属填充中溢出到所述硅通孔130外多余的导电金属。需要指出的是，该平整化处理步骤也可以省略，实践证明，在优化工艺条件下，省略该步骤也不会对器件性能造成不良影响。

如图8所示，可进一步在所述盖板100背面进行再布线，所述盖板100背面的布线150走过盖板100的硅通孔130表面，硅通孔130内填充的液态金属140(此时已固化)即实现了所述布线150与所述mems晶圆200电极220的电连接。

具体的，还可进一步在所述盖板100背面制作焊盘，并将专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)通过所述焊盘与所述盖板100背面连接，实现mems与专用集成电路的电连接，满足多种应用需求。此过程也可称为c2w(chiptowafer，芯片到晶圆的贴装)形式的倒装焊。其中，部分或全部焊盘表面可制作有焊球。

本发明采用液态金属微孔填充技术对mems晶圆进行圆片级封装，大大缩短了tsv的填充时间和制造成本，也避免了传统金属引线键合工艺；本发明在键合封装前在mems晶圆电极上预设了金属焊盘，进一步保证了封装后的电性连接成功率；此外，本发明在盖板的背面进行再布线更进一步实现了微纳机电晶圆圆片级封装结构在应用中的多样性和普遍适应性。

需要指出的是，对于所述硅通孔130中的填充材料为焊锡的情况，本发明所述的微纳机电晶圆的圆片级封装方法又可被称为stac(soldertsvaftercapping)工艺。

本发明所述的微纳机电晶圆的圆片级封装方法中的步骤执行顺序不限于本实施例列举的一种顺序，只要是利用本发明的工作原理实现的封装方法都包括在本发明的保护范围内。

实施例二

本发明还提供一种微纳机电晶圆的圆片级封装结构，如图8所示，所述微纳机电晶圆的圆片级封装结构包括键合的盖板100和mems晶圆200。其中，所述盖板100包括一硅片110；所述硅片的正面制作有保护mems晶圆200正面微机械部件210的凹槽120，所述硅片中制作有贯通硅片的正面和背面的硅通孔130。所述硅通孔130的侧壁上形成有绝缘层160。所述mems晶圆200正面的电极220上制作有金属焊盘230；所述mems晶圆200的正面与所述盖板100的正面键合，其中，所述金属焊盘230与所述硅通孔130的位置相对应，且所述金属焊盘230至少覆盖所述硅通孔130的一部分；所述硅通孔130中具有利用液态金属微孔填充技术填充的液态金属140；所述液态金属140与所述金属焊盘230键合，所述硅通孔中固化后的液态金属实现从所述mems晶圆电极至盖板背面的电互连。

具体的，所述液态金属140包括单质金属或合金，优选采用低熔点导电金属或合金，包括但不限于无铅焊锡等材料。所述盖板100背面可以为经过化学机械研磨抛光的平整化的平面。

进一步的，所述盖板100的背面可具有布线150。所述mems晶圆电极220至盖板100背面的布线150通过所述液态金属140固化后得到的导电柱实现电互连。

进一步的，所述盖板100背面可制作有焊盘，专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)通过可所述焊盘与所述盖板100背面连接，实现mems与专用集成电路的电连接，满足多种应用需求。此过程也可称为c2w(chiptowafer，芯片到晶圆的贴装)形式的倒装焊。其中，部分或全部焊盘表面可制作有焊球。

本实施例所述的微纳机电晶圆的圆片级封装结构是由所述的微纳机电晶圆的圆片级封装方法形成的，但所述的微纳机电晶圆的圆片级封装方法实现的封装结构包括但不限于本实施例列举的所述的微纳机电晶圆的圆片级封装结构。

综上所述，本发明采用液态金属微孔填充技术对mems晶圆进行圆片级封装，大大缩短了tsv的填充时间和制造成本，也节省了传统复杂的tsv穿金属线工艺；本发明在键合封装前在mems晶圆电极上预设了金属焊盘，进一步保证了封装后的电性连接成功率；此外，本发明在盖板的背面进行再布线更进一步实现了微纳机电晶圆圆片级封装结构在应用中的多样性和普遍适应性。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。